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 < zurück zur Übersicht 4.8 Dichtsysteme und Dichtstoffe für Fugen der Sandwichbauweise Teil 1 Wirkung und Beanspruchung von Fugen
1. Allgemeines
Keine Bauweise kommt ohne Fugen aus, auch nicht die Sandwichbauweise. Es ist hierbei zwischen zwei Fugenarten zu unterscheiden:
1. Zur Verbindung der Bauelemente bedingte Fugen - Längs- und Querstöße der Sandwichelemente (siehe Abb. 4.8.1)
2. Konstruktiv bedingte Anschluss- und Bauteilfugen durch Anschlüsse an andere Bauteile (siehe Abb. 4.8.2)
Diese Fugen benötigen je nach Art und Beanspruchung unterschiedliche Dichtsysteme, Dichtstoffe, Füllstoffe und zum Teil auch Klebesysteme. Der werkseitige Einbau dieser Dichtungen hängt in erster Linie von der Verbindungsgeometrie des Sandwichelements, die Werkstoffauswahl vom jeweiligen Anwendungsschwerpunkt ab. Sofern im Bereich von Anschlüssen bauseitig Dichtstoffe erforderlich sind, müssen abhängig von der jeweiligen Konstruktion die einschlägigen Normen und Verarbeitungsrichtlinien der Hersteller von Dichtstoffen beachtet werden. Der IFBS (Industrieverband für Bausysteme im Stahlleichtbau) hat zu diesem komplexen Thema eine Informationsschrift mit 114 Seiten erstellt, die dem Planer einen guten Überblick bietet [48]. Vom Industrieverband Dichtstoffe e.V. (IVD) wird derzeit in Zusammenarbeit mit dem ift Rosenheim eine 36seitige technische Grundsatzinformation erarbeitet, die unter dem Titel „IVD-Merkblatt Nr. 9“ zu beziehen sein wird [50].
Der Entwurf des Merkblatts zeigt erstmals über eine Klassifizierung die Eigenschaftsprofile von Dichtstoffen auf, mit denen der Montagebetrieb sicher arbeiten kann. Hierbei ist es dem IVD wichtig, dass der Planer nicht nur Preise vergleicht, sondern auch die Produktleistungen und Eigenschaftsprofile der Dichtstoffe.
Ebenso wichtig sind ständige Dialoge und eine leistungsorientierte Kooperation zwischen Sandwichherstellern und Herstellern von Dichtsystemen. Diese sind, was werkseitig eingesetzte Dichtsysteme angeht, allein schon aus produktionstechnischen Gründen unverzichtbar. Aber auch für den Einsatz von Dichtstoffen vor Ort, bemühen sich qualitätsorientierte Sandwichhersteller in direkter Zusammenarbeit mit Dichtstoffherstellern um praxisgerechte Lösungen. In diesem Zusammenhang ist es erfreulich dass sich die Baupraxis den erhöhten gesetzlichen Anforderungen zum Wärmeschutz immer mehr anpasst. So wurden beispielsweise im Rahmen der RAL-Gütegemeinschaft Fenster die Montageverantwortlichen der Fensterbaubetriebe stärker zu diesem Thema sensibilisiert. Auch diese Abhandlung kann die Vielzahl möglicher Fugendichtungen nicht ansatzweise vollständig erfassen. Aus diesem Grund werden die zur Planung wichtigsten Konstruktionsmerkmale und Dichtsysteme sowie einige stellvertretende Konstruktionsbeispiele zur Fugenausbildung in der Sandwichbauweise aufgezeigt.
Wenn Fugen fehlerhaft geplant werden, bzw. bereits in der Ausschreibung durch ungeeignete Dichtstoffauswahl Fehler vorprogrammiert sind, kann auch bei der Sandwichbauweise eine Anschluss- oder Bauteilfuge zum Problem werden.
Das Abdichten von Bauwerksfugen oder Fugen zwischen Bauelementen ist erforderlich, um Dichtebenen über Bauelemente oder Bauabschnittsgrenzen hinweg fortzusetzen.
Dichtebenen sind in der Regel aus bauphysikalischen Gründen erforderlich. Ihre Hauptaufgabe ist es, dass die raumabschließenden Konstruktionen dem Stand der Technik entsprechend undurchlässig gegenüber Feuchtigkeit, Schlagregen und Luft sind. Abhängig von der Gebäude- bzw. Raumfunktion können darüber hinaus auch weitere bauphysikalische Anforderungen von Bedeutung sein. So wird z.B. für Gebäude oder Räume mit Kühlung und Tiefkühlung von Dichtstoffen ein entsprechend hoher Wasserdampfdiffusionswiderstand gefordert. Des Weiteren können für das Abdichten von Fugen auch Fragen der Hygiene, des Schallschutzes und des Brandschutzes von Bedeutung sein. Sind Fugenabdichtungen sichtbar, sollten sie auch optisch ästhetischen Ansprüchen genügen.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Planung und Ausführung ausschließlich im Verantwortungsbereich des Planers liegen und auch die hier aufgezeigten Beispiele auf ihre jeweilige Eignung vom Planer zu prüfen sind.
1.1 Definition der Bewegungsfugen
Bewegungsfugen (nachfolgend als Fugen bezeichnet).
Fugen zwischen Gebäude- oder Bauteilen zur Aufnahme von Dimensions-, Form- und Lagerveränderungen dieser Teile, sowie zum Ausgleich von Herstellungs- und Ausführungstoleranzen.
Zu den Bewegungsfugen gehören
Anschlussfugen: Fugen zwischen Bauteilen mit unterschiedlichen Materialien oder Funktionen;
Arbeitsfugen: Durch Arbeitsvorgang bedingte Fugen ohne Fugeneinlage, sofern das später eingebrachte Material nicht kraftschlüssig mit dem bereits Eingebrachten verbunden wird;
Bauteilfugen: Fugen zwischen Bauteilen mit gleichen Materialien oder Funktionen;
Flügelfalzfugen: Fugen zwischen Flügel und Rahmen beim Fenster;
Gebäudetrennfugen: Fugen zwischen Bauwerken oder Bauwerksteilen, deren Auflager ebenfalls durch eine Fuge getrennt sind;
Lagerfugen: Horizontale Fugen zwischen Auflager und einem auf ganzer Länge aufliegenden Bauteil;
Scheinfugen: Sollbruchstellen, Bauteile, aus denen beim Auftreten von Spannungen durchgehende Bewegungsfugen entstehen können;
Schwindfugen: Durch Fugeneinlagen in ganzer Tiefe in Ortbeton ausgebildete Fugen, die Rissbildungen aufgrund des Abbindeschwunds verhindern sollen;
Verglasungsfugen: Fugen zwischen Flügel bzw. Rahmen und Verglasung bei Fenstern.
In dieser Definition sind natürlich auch Fugen enthalten, die für die Sandwichbauweise selbst keine Bedeutung haben.
1.2 Reduzierung von Energieverlusten
Durch immer höhere Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden kommt auch der Dichtheit der Gebäudehülle eine immer größere Bedeutung zu. Auch wenn Fugen hinsichtlich des Schlagregenschutzes und der Feuchtigkeit richtig ausgeführt sind, können Luftundichtheiten einen in der Fläche optimal ausgeführten Wärmeschutz negativ beeinflussen. Dies gilt insbesondere für Gebäude mit kontrollierter Lüftung. Da Kälteenergie ca. 6 bis 8 mal so teuer ist, wie Wärmeenergie, sind Fugen für klimatisierte Gebäude sowie Kühl- und Tiefkühlhäuser entsprechend luftdicht und ggf. auch diffusionsdicht auszuführen.
Während bei Wärmedämmung zur Verringerung von Transmissionswärmeverlusten heute ein relativ hoher Standard zu verzeichnen ist, wurde die Luftdichtheit zur Verringerung von Lüftungswärmeverlusten bisher zu wenig beachtet. Bei modernen Gebäuden schlägt der Lüftungswärmeverlust anteilmäßig mit über 50 Prozent zu Buche. Die Lüftungswärmeverluste lassen sich in der Regel mit relativ geringem Aufwand reduzieren.
Durch Fugen kann warme Luft aus beheizten Räumen über Wärmeleitung (Transmission) und über Wärmeströmung der Luft (Konvektion) entweichen.
Abb. 4.8.4 demonstriert anschaulich, wie sich schon bei einer geringen Druckdifferenz von 20 Pascal - dies entspricht etwa Windstärke 1 bis 2 - der Wärmedurchgang einer Dämmplatte mit einer Fläche von einem Quadratmeter nahezu verfünffacht, wenn diese eine Fuge von nur einem mm aufweist. Bei breiteren Fugenspalten kann es zu einer noch größeren Reduzierung der Dämmleistung kommen, die jede Wärmebilanz des Gebäudes in Frage stellt.
Dieses Beispiel bezieht sich nicht auf die Verbindung von Sandwichelementen. Es soll aufzeigen, was bei einer Anschluss- oder Bauteilfuge an Energie verloren gehen kann, wenn diese nicht fachgerecht gedämmt sind.
Strömt Wind eine Gebäudehülle an, so entsteht zwischen dem Gebäudeinneren und der „angestauten“ Außenluft eine Druckdifferenz. Durch diese Druckdifferenz kann Luft durch undichte Fugen strömen und bei entsprechenden Temperaturdifferenzen Energieverluste bewirken. Bereits dieser gravierende Nachteil ist ausreichender Grund, um Gebäudehüllen und damit auch alle Fugen luftdicht auszuführen. Darüber hinaus gibt es natürlich noch eine Reihe andere Gründe, auf die im Anschluss noch näher eingegangen wird.
1.3 Luftdichtheit
In Deutschland wurde der luftdichten Ausführung von Gebäudehüllen bis vor kurzem relativ wenig Bedeutung beigemessen. In den USA und auch in Skandinavien beschäftigte man sich aufgrund der dort weit verbreiteten Holzleichtbauweise schon seit Anfang der achtziger Jahre intensiv mit diesem wichtigen Thema. So wurde auch in den USA ein geeignetes Messverfahren für die Luftdurchlässigkeit entwickelt und entsprechende Luftdichtheitsstandards erarbeitet, die seit dem Jahrtausendwechsel auch in Deutschland bzw. in Europa verstärkt zum Einsatz kommen.
Zur Messung der Luftdurchlässigkeit nach dem „Blower-Door-Meßverfahren" erzeugt man im Gebäudeinneren mit einem drehzahlgeregelten Ventilator eine definierte Druckdifferenz zur Außenluft (siehe Abb. 4.8.5). Der Ventilator wird in einen Tür- oder Fensterrahmen eingebaut und fördert einen Volumenstrom, der genau so groß ist wie der Gesamtvolumenstrom durch alle Leckagen. Auf diese Weise erhält man ein Maß für die Luftdurchlässigkeit / Luftdichtheit der gesamten Gebäudehülle.
Unter Luftdichtheit wird die Eigenschaft einer Baukonstruktion verstanden, das Passieren von Luft zu verhindern. Hierbei geht es nicht um Wasserdampfdiffusion, sondern um Konvektion der Luft durch Bauteilfugen bzw. durch poröse Baustoffe. Die Luftdichtheit einer Baukonstruktion, insbesondere bei der Gebäudehülle, trägt nicht nur dazu bei, Wärmeverluste zu mindern. Sie reduziert bzw. verhindert eine Feuchtebelastung innerhalb der Baukonstruktion, verbessert den sommerlichen Wärmeschutz, erhöht die Qualität des Raumklimas und den Schallschutz. Ein aus klimatischen Gründen stattfindender unkontrollierter Luftwechsel durch Undichtheiten der Gebäudehülle bietet keinesfalls einen Ersatz für den kontrollierten hygienischen Luftwechsel, der von völlig anderen Parametern abhängt (Anzahl der Personen, Tätigkeit, Raumgröße, toxische Belastungen). Hinzu kommt, dass bei fehlender Druckdifferenz auch kein Luftwechsel stattfinden kann. Die heute geforderten hohen Wärmeschutzwerte führen konsequenterweise zu einer genauen Dosierung des hygienisch bedingten Raumluftaustausches. Eine solche Dosierung setzt ebenfalls eine luftdichte Gebäudehülle voraus.
In der aktuellen Energieeinsparverordnung (EnEV) werden an die Luftdichtheit von Gebäuden Anforderungen gestellt, die in der GALILEO Basis-Info 7.9 - Luftdichtheit von Gebäuden nach den Anforderungen der Energieeinsparverordnung [46] behandelt werden.
Der physikalische Grund für die Luftströmung durch Fugen liegt in der Druckdifferenz zwischen Außen- und Innenluft. Zu Druckdifferenzen kommt es durch Windanströmung und / oder durch Temperaturdifferenzen. Es genügen bereits geringe Windgeschwindigkeiten von ca. 15 km/h (Windstärke 3), um Staudrücke von etwa 12 N / m² zu erzeugen. Bei Windstärken von 4 bis 5 (19 bis 35 km/h) kann es zu Staudrücken von 18 bis 61 N / m² (1 N / m² = 1 Pa) kommen [61].
Bei thermisch bedingter Konvektion steigt die Druckdifferenz in direkter Abhängigkeit zur Temperaturdifferenz. Deshalb ist die Druckdifferenz bei winterlichen Temperaturen größer als im Sommer. Die thermisch bedingte Druckdifferenz ist außerdem von der Raumhöhe abhängig. Bei einer Außenlufttemperatur von -10°C und einer Raumtemperatur von +20°C addiert sich mit jedem Meter Raumhöhe die Druckdifferenz von ca. 1,5 N / m². So steigt beispielsweise der thermisch bedingte Druck in einer Halle mit 5 m Höhe oder in einer Dachgeschoßwohnung gleicher Höhe, auf 5 x 1,5 N/m² = 7,5 N / m² an. Durch zusätzlichen Winddruck kann sich der thermisch bedingte Druck in Abhängigkeit von der Raumhöhe zu Spitzenwerten addieren [54].
Nach aktuellem Stand europäischer und nationaler Normen und gesetzlicher Verordnungen müssen Fugen in der Wärme übertragenden Umfassungsfläche entsprechend dem Stand der Technik dauerhaft luftundurchlässig abgedichtet sein. Nach DIN 4108-2 [16] erfüllen Konstruktionen gemäß DIN 4108-7 [21] die Anforderungen der Luftdichtheit ohne Nachweis. Die Luftdichtheit von Bauteilen kann nach DIN 4108 bestimmt werden. Danach muss der Fugendurchlasskoeffizient von Bauteilfugen kleiner als 0,1 m³ /m h sein.
Die Luftdurchlässigkeit (Winddichtheit) einer Fugenkonstruktion wird durch den Fugendurchlasskoeffizienten (auch a-Wert) gekennzeichnet. Der Fugendurchlasskoeffizienten ist eine Kenngröße bei der Charakterisierung der Dichtheit von Fenstern und Türen. Der a-Wert gibt an, wie viele Kubikmeter Luft in einer Stunde bei einer Druckdifferenz von 1 daPa = 10 Pa = 10 N/mm² je Meter Fugenlänge hindurchströmen. Die Dimension des Fugendurchlasskoeffizienten ist m³/ (m h daPan), wobei n der Druckexponent ist. Der a-Wert hat nicht nur Einfluss auf die Luftdichtheit und den Luftwechsel, sondern auch auf den Schallschutz.
Nach Anhang 4 der EnEV [42] müssen außenliegende Fenster, Fenstertüren und Dachflächenfenster den Fugendurchlass-Klassen nach Tab. 4.8.1 entsprechen:
Tab. 4.8.1 Anhang 4 der EnEV - Tabelle 1 nach [42]
DIN 4108-7 [21] gibt Planungs- und Ausführungsempfehlungen zur Luftdichtheit von Bauteilen und Anschlüssen. Diese Norm korrespondiert mit EN ISO 9972 [25] bzw. mit der modifizierten Norm DIN EN 13829 (2001-02) [32]. Die Prüfung der Luftdurchlässigkeit von Außenwänden erfolgt im Labor nach DIN EN 12114 (2000-04) [N18].
Zur Luftdichtheit der gesamten Gebäudehülle werden im Anhang 4 der EnEV [42] Grenzwerte festgelegt. Sofern eine Überprüfung der Anforderungen nach § 5 Abs. 1 durchgeführt wird, darf der nach DIN EN 13829 (2001-02) [32] bei Druckdifferenz zwischen Innen und Außen von 50 Pa gemessene Volumenstrom - bezogen auf das beheizte Luftvolumen - bei Gebäuden
o ohne raumlufttechnische Anlagen 3 h-1 und
o mit raumlufttechnischen Anlagen 1,5 h-1
nicht überschreiten.
Ein Blick auf die Verbindungstechnik qualitativ hochwertiger Sandwichelemente verdeutlicht, warum die Verbindung dieser Bauteile eine hohe Luftdichtheit aufweist siehe hierzu auch Abb. 4.8.19):
o Fugengeometrie mit Labyrinthwirkung
o passgenaue, dicht schließende Steckverbindungen
innenliegende Dichtung (en)
Untersuchungen am Institut für Fenstertechnik zeigen, dass die Verbindung von Sandwichelementen aus qualitätsgeprüfter Produktion etwa 100mal dichter ist als hochwertige Fenster. Infrarot-Studien belegen ebenfalls die ausgezeichnete Luftdichtheit von Dach- und Wandflächen in Sandwichbauweise [53]. Jüngste Messungen des Instituts für Sandwichtechnik in Mainz (iS-Mainz) zur Schlagregen- und Luftdichtheit nach der neuen Norm belegen die Dichtheit der Längsverbindung von Sandwichelementen (siehe hierzu auch Abschnitt 1.3.1).
Auch Thermographien zeigen bei Sandwichkonstruktionen erheblich geringere Transmissionswärmeverluste infolge von Wärmebrücken als beispielsweise bei der Massivbauweise oder auch bei Dach- und Wandkonstruktionen mit Stahl-Kassettenprofilen (built up cladding systems) (siehe Abb. 4.8.7a / 4.8.7b und 4.8.8 a / 4.8.8 b).
1.3.1 Prüfung zur Luftdichtheit
Prüfverfahren, wie DIN EN 12114 „Außenwände von Gebäuden – Luftdurchlässigkeit“ oder EN ISO 9972 „Bestimmung der Luftdichtheit von Gebäuden – Differenzdruckverfahren“ [29], bzw. DIN EN 13829 (2001-02) [32] belegen die Luftdichtheit der Sandwichbauweise bei fachgerechter Ausführung der Elementverbindungen und der konstruktiv bedingen Bauteilfugen.
DIN EN 14509 (2007-02) [34] sieht eine Prüfung zur Luftdichtheit nach DIN EN 12114 [29] vor, fordert jedoch keine Grenzwerte für die Luftdurchlässigkeit. Einen Anhaltspunkt gibt DIN 18542 [37] für imprägnierte Dichtungsbänder mit einem Grenzwert der Luftdurchlässigkeit von
.
Die Wichtigkeit der Luftdichtheit ist auch im europäischen Recht verankert, die eine Umsetzung der Richtlinie 2002/91/EG des europäischen Parlaments und des Rates über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden in nationale Gesetze und Verordnungen fordert [68].
1.3.2 Volumenbezogene Luftdurchlässigkeit
Als volumenbezogene Luftdurchlässigkeit wird die bei 50 Pa Druckdifferenz gemessene Luftwechselrate n 50 definiert. Sie ergibt sich durch Division des bei 50 Pa Druckdifferenz ermittelten Volumenstroms der Luftdurchlässigkeit V 50 durch das Innenvolumen V L des Gebäudes oder eines thermisch abgeschlossenen Gebäudeteils.
In Anlehnung an ISO 9972 ist eine Messung bei Unterdruck und bei Überdruck durchzuführen. Der Volumenstrom der Luftdurchlässigkeit V 50 wird dann durch eine Mittelung der Ergebnisse für Unterdruck V -50 und für Überdruck V +50 berechnet.
Eine Druckdifferenz von 50 Pascal entspricht einem Druckunterschied, wie er durch einen Winddruck bei einer Windgeschwindigkeit von 9 m/s entsteht. Dies ist etwa Windstärke 5 nach Beaufort-Skala, bei der kleine Bäume durch den Winddruck schwanken. Mit dieser relativ großen Druckdifferenz will man ein Messergebnis sichern, das nicht durch witterungsbedingte Druckunterschiede beeinflusst wird. Darüber hinaus lassen sich bei dieser Druckdifferenz auch Leckagen während der Messung leichter orten, da die Volumenströme größer sind als unter normalen Witterungsbedingungen.
Unter diesen Konditionen können Leckagen z. B. mit den Fingern, mit Luftgeschwindigkeitsmessgeräten (Thermoanemometer) oder mit Rauchröhrchen geortet werden. Bei größeren Temperaturdifferenzen, z.B. bei kaltem Wetter und beheiztem Gebäude, kann man das Einströmen kalter Außenluft durch Leckagen auch mit einer Thermografiekamera aufzeigen.
1.3.3 Leckageluftwechsel während der Heizperiode
Schon die Vornorm DIN V 4107 T7 (1997) befasste sich mit Planungs- und Ausführungsempfehlungen sowie Ausführungsbeispielen, einschließlich geeigneter Materialien zur Einhaltung der Anforderungen nach Wärmeschutzverordnung und der Normenreihe DIN 4108. Es wurden Grenzwerte für die Luftdichtheit gesetzt: n50 = 3,0 mit Fensterlüftung; n50 = 1,0 mit mechanischer Lüftung. 1998 wies der Gesetzgeber durch eine Bekanntmachung des Bundesbauministeriums vom 8./31. Juli 1998 darauf hin, das in DIN V 4108 T7 ausgewiesene Differenzdruckverfahren als allgemein anerkannte Regel der Technik anzuwenden.
Die Grenzwerte aus der Norm sind (mit einer Korrektur) anzuwenden: n50 = 3,0 bei Fensterlüftung; n50 = 1,0 + 0,5 bei mechanischer Lüftung. Im August 2001 wurden diese neuen Grenzwerte dann in die gültige Norm übernommen.
Aus der volumenbezogenen Luftdurchlässigkeit n50, die ein international vergleichbares Maß für die Luftdichtheit der Gebäudehülle darstellt, kann gemäß DIN EN 832 [11] näherungsweise der Luftwechsel nz berechnet werden, der sich unter normalen Witterungsbedingungen im Mittel über die Heizperiode durch die Leckagen ergibt: nz = n50 x e. Der Windschutzkoeffizient e nimmt je nach Lage und Windschutz des Gebäudes verschiedene Werte an.
o Mit zeitgemäßen Bautechniken wie der Sandwichbauweise, werden bei sehr dichten Gebäuden für die volumenbezogene Luftdurchlässigkeit Werte von n50 unter 1 h-1 erreicht.
o Bei mitteldichten Gebäuden liegt n50 bei 3 bis 4 h-1.
o Undichte Gebäude weisen n50 -Werte auf, die etwa zwischen 5 h-1 und 15 h-1 liegen.
Bei undichtem Gebäude in freier Lage (e = 0,10) ergibt sich ein mittlerer Leckageluftwechsel n50 von 0,5 bis 1,5 h-1 der mindestens so hoch ist wie der hygienisch notwendige Mindestluftwechsel von 0,4 bis 0,6 h-1.
Bei Wind ist abhängig von Windstärke und Winddauer der Leckageluftwechsel wesentlich höher als der Mittelwert, wodurch es zu Wärmeverlusten, Durchfeuchtungen der Baukonstruktion und zu einem unangenehmen Raumklima mit Zugerscheinungen kommen kann.
Dagegen liegt der Leckageluftwechsel bei Windstille deutlich unterhalb des Mindestluftwechsels und reicht für die aus hygienischen und gesundheitlichen Gründen erforderliche Lüftung alleine nicht aus.
1.4 Feuchte- und Schlagregenschutz
Zwischen Wärmeschutz und Feuchteschutz besteht ein enger Zusammenhang, der seinen Grund in der hohen Wärmeleitfähigkeit von Wasser hat. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist ca. 30mal größer als die Wärmeleitfähigkeit ruhender Luft. Wird ein Baustoff durchfeuchtet, so erhöht sich in Abhängigkeit vom Durchfeuchtungsgrad die Wärmeleitfähigkeit. Dämmstoffe mit hoher kapillarer Saugfähigkeit können bis zu 98 Vol.-% Feuchtigkeit aufnehmen. Bereits die Feuchtigkeitszunahme von 1 Vol.-% führt zu einer erheblichen Verschlechterung des Wärmedämmwertes. Nach [10] nimmt die Wärmleitfähigkeit von Mineralfaserplatten mit zunehmendem Feuchtegehalt nach Tab. 4.8.2 zu.
Tab. 4.8.2 Zunahme der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt - Quelle: [10]
Neben diesem Einfluss auf den Wärmeschutz kann Feuchtigkeit in Baustoffen und Bauteilen auch zu Schimmelbildung und Schädlingsbefall führen. Weitere Risiken, die mit der Durchfeuchtung von Baustoffen einhergehen sind Frostschäden (Sprengdruck), Korrosionsschäden, die auflösende Wirkung auf andere Stoffe sowie das Quellen und Schwinden von Baustoffen. Für den Feuchteschutz von Gebäuden sind zwei Schutzmaßnahmen von Bedeutung:
o Schlagregenschutz
o Schutz vor Durchfeuchtung aus Wasserdampfdiffusion
Bei Dämmelementen mit gasdiffusionsdichten Deckschichten, wie z.B. Sandwichelementen mit metallischen Deckschichten kann weder eine direkte Belastung durch Feuchtigkeit noch durch Wasserdampfdiffusion stattfinden, bzw. sind diese auf Randeffekte ohne praktische Auswirkung reduziert. Voraussetzung ist eine fachgerechte Ausführung der Elementverbindungen.
Auch bei unkaschierten Dämmstoffen aus Polyurethan-Hartschaum scheidet aufgrund der überwiegend geschlossenzelligen Struktur eine Wasseraufnahme durch Kapillarwirkung aus. So nimmt unkaschierter Polyurethan-Hartschaum selbst bei hoher relativer Feuchte der Umgebungsluft von 100% nur maximal 5 Gew.-% bzw. 0,15 Vol.-% Feuchtigkeit auf.
1.4.1 Schlagregenschutz
Anforderungen zum Schlagregenschutz stellt auch die Norm DIN EN 12865 (2001-07) Wärme- und feuchteschutztechnisches Verhalten von Bauteilen - Bestimmung des Widerstandes des Außenwandsystems gegen Schlagregen bei pulsierendem Luftdruck [31].
Tests mit unterschiedlich verlegten Sandwichelementen weisen der Sandwichbauweise einen ausgezeichneten Schlagregenschutz nach. So wurden beispielsweise beim CSTB in Paris horizontal verlegte Elemente mit zusätzlicher Vertikalfuge unter einer Wasserberieselung von 2 Liter / m² je Minute bei einem statischen Druck von 600 kN / m² geprüft. Es zeigte sich kein Wasser auf der Innenseite der Sandwichelemente [47]. Die Daten dieses Versuches entsprechen denen der DIN 18055 [35] mit Prüfung durch Besprühungsverfahren Nr. 1.
1.4.1.1 Montagerichtung der Sandwichelemente
Für eine zusätzliche Sicherheit gegen Schlagregen werden Sandwichelemente beim Verlegen so angeordnet, dass ihre Längs- und Querstöße richtig zur Hauptwetterrichtung stehen. Abb. 4.8.12 und 4.8.13 zeigen hierzu Beispiele für eine Wand- und eine Dachkonstruktion. Im Markt gibt es auch Systeme, deren Verbindungsgeometrie so gestaltet ist, dass man sie unabhängig von der Wetterrichtung montieren kann, beispielsweise das System isodach integral-n von ThyssenKrupp Bausysteme.
1.4.2 Schutz vor Wasserdampfdiffusion und Tauwasser
Der Transport von Wasserdampf kann durch Konvektion der Luft oder durch Diffusion erfolgen. Konvektion = Luftströmung erfolgt beispielsweise bei einer undichten Fuge. Diffusion = Wärmewanderung durch Materialien erfolgt dann wenn kein ausreichend hoher Wasserdampfdiffusionswiderstand gegeben ist. Luftströmung (Konvektion) ist etwa 20.000- bis 40.000mal schneller als die Wasserdampfwanderung durch Bauteile hindurch (Diffusion). Zum besseren Verständnis werden die physikalischen Ursachen dieser Vorgänge kurz aufgezeigt.
Das Wassermolekül hat aufgrund atomarer Wärmeschwingungen die Eigenschaft, bei Energiestößen benachbarter Moleküle sowohl aus dem flüssigen Zustand, als auch aus dem festen Zustand in den gasförmigen Zustand überzugehen.
Durch Energiezufuhr nimmt die Anzahl geradliniger Stoßbewegungen zu. Diese Stoßbewegungen erfolgen je nach Temperatur mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert m/s. Die elektromagnetische Bindungsenergie der einzelnen Wassermoleküle untereinander ist bei diesen Stoßbewegungen nicht mehr in der Lage, die Wassermoleküle zusammenzuhalten. In diesem Energiezustand können die freien Wassermoleküle mit einem Durchmesser von 1/10.000.000 mm durch die meisten Stoffe diffundieren.
Auch kleinste Kapillaren und Poren stellen für das winzige Wassermolekül kein Hindernis dar. Einzige Ausnahme sind Stoffe, die durch einen Schmelzvorgang entstanden sind, wie z.B. Metalle, Gläser und bestimmte Kunststoffe.
Nimmt die Energie (Temperatur) ab, so nimmt auch die Bewegungsenergie und Stoßanzahl der Wassermoleküle ab. Gleichzeitig mindert sich damit die Störung der elektromagnetischen Kohäsionskräfte. Entsprechend kommt es in Abhängigkeit von der Wasserdampfkonzentration und der Temperaturabnahme bei einem überschüssigen Anteil der Wassermoleküle zur verstärkten Kohäsion. Bei diesem Sättigungszustand bilden sich feinste Tröpfchen, der Wasserdampf kondensiert und geht in den flüssigen Aggregatzustand über.
Aufgrund dieser physikalischen Ursachen nimmt warme Luft viel mehr Wasser auf als kalte Luft. Das maximale Aufnahmevermögen bei einer Raumtemperatur von +20°C beträgt 30,3 g/m³ Wasser. Liegt die relative Luftfeuchte beispielsweise bei 50%, dann enthält die Raumluft 15,15 g/m³ Wasser. Strömt diese Luft über eine Bauteilfuge durch die Gebäudehülle nach außen, so kühlt sie bei entsprechender Temperaturdifferenz ab. Bei winterlichen Bedingungen mit einer Außentemperatur von -10°C kann aber die kalte Luft mit einem Aufnahmevermögen von 2,14 g/m³ deutlich weniger Wasser aufnehmen. Die Folge ist, dass beim Durchwandern der Gebäudehülle ab der Taupunkttemperatur aufgrund einer Sättigung Wasser auskondensiert und die angrenzenden Bauteile durchfeuchtet. Sättigung bedeutet, dass eine relative Luftfeuchte von 100% erreicht ist. Bei diesem Beispiel liegt die Taupunkttemperatur bei +9,3°C. Auf dem Weg zur kälteren Außenluft kondensiert dann eine Menge Wasser aus, die sich über die Differenz des Feuchtegehalts der warmen Raumluft und des maximal möglichen Feuchtegehalts bei der jeweiligen kälteren Außentemperatur berechnen lässt:
Dm =15,15 g/m³ - 2,14 g/m³ = 13,01 g/m³
Bei den meisten Dämmstoffen wird die Dämmleistung dominant über den Einschluss von Luft in Hohlräumen des Dämmmaterials bewirkt. Kann Luft dieses Dämmmaterial durchströmen, wird ihm Wärme entzogen und der Dämmstoff wird in seiner Dämmleistung reduziert. Bei feuchter Luft kann es insbesondere bei hygroskopischen Faserdämmstoffen durch Tauwasserbildung zu einer Durchfeuchtung des Dämmstoffes kommen. Da Wasser die Wärme etwa 25mal so stark leitet wie Luft, kommt es hierbei zu einer drastischen Verschlechterung der Dämmleistung. Hieraus ergibt sich auch die Notwendigkeit von Dampfbremsen und Luftsperren und Fugendichtungen.
Wichtigste Stoffkenngröße für den Widerstand von Baustoffen gegen Wasserdampfdiffusion ist die Wasserdampf- Diffusionswiderstandszahl µ. Rechenwerte für die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahlen können DIN 4108-4, Tabelle 1 [18] entnommen werden. Das Produkt aus der Wasserdampfdiffusions-Widerstandszahl µ mit der Dicke s der Dämmstoffschicht liefert eine weitere wichtige diffusionstechnische Größe, die diffusionsäquivalente Luftschichtdicke sd:
sd = µ · s [m]
Kann sich bei einer Konstruktion von Außenbauteilen im Winter Tauwasser in der Bauteilkonstruktion bilden, so muss für den Sommerbetrieb sichergestellt sein, dass diese Wassermenge zum größten Teil auch wieder ausdiffundieren, d.h. verdunsten kann. DIN 4108-3 - Klimabedingter Feuchteschutz - Anforderungen und Hinweise für Planung und Ausführung (Glaser-Verfahren) [17] legt hierfür die entsprechenden Mindestwerte fest. Diese Norm korrespondiert mit DIN EN ISO 13788 [33].
Bei Undichtheiten der Dampfsperre, wie sie z.B. bei praxisnaher Beanspruchung zu dünner Aluminiumfolien oder bei mangelhafter Überlappung und Verklebung der Dampfsperre entstehen können, verringert sich der µ-Wert entsprechend. Nach Messungen von Herstellern führt die Bruchstelle einer Aluminiumfolie (Kreuzfalz bei dreimaliger Knickung einer Aluminiumfolie mit 50 µm) zu einem Wasserdampfdurchgang von 5 g / m² 24 h. In [74] wird anhand von Messwerten an Metallen die Verringerung des µ-Wertes infolge von Löchern (Durchmesser 2,5 mm, Fläche ca. 4,9 mm²) aufgezeigt (Tab. 4.8.3).
Tab. 4.8.3 Verringerung des µ-Wertes infolge von Löchern in der Dampfsperre - Quelle: [74]
Messungen des Dampfdurchgangs bei Blechen mit Öffnungen (Spalten und Löcher) auf Wärmedämmstoffen ergaben ein Vielfaches des elementar berechneten Wertes [72]. Der erhöhte Dampfdurchgang ist darauf zurückzuführen, dass sich im Dämmstoff ein weit über die Blechöffnung hinausgehendes Einzugsgebiet für den Wasserdampf bildet. Nach Untersuchungen des Instituts für Bauphysik in Stuttgart wurden bei einer Dämmfläche von 1 m² und einer Dämmdicke von 140 mm bei verschiedenen Fugenbreiten in der Dampfbremse und bei verschiedenen Druckdifferenzen die Wärmeverluste durch die Fuge ermittelt [61]. Bei einer Druckdifferenz von 20 N / m² - dies entspricht einer Windstärke von ca. 2 bis 3 – verschlechtert sich der Wärmedurchgangskoeffizient der 140 mm dicken Dämmung etwa um das 4,8fache, wenn die Dampfbremse eine Fugenbreite von 1 mm aufweist. Erhöht sich die Fugenbreite in der Dampfbremse auf 3 mm, dann verschlechtert sich der U-Wert sogar um das 10fache. Geht man von einem U-Wert mit 0,3 W / m² K aus, dann erhöht sich der tatsächliche U-Wert bei dieser Beeinträchtigung der Dampfsperre auf 3,0 W / m² K.
Diese Beispiele sollen aufzeigen, welche Gefährdung von Baukonstruktionen ausgehen kann, deren Fugen nicht entsprechend dicht und deren Dampfsperren nicht in jeder Hinsicht funktionstüchtig sind. Bei Sandwichelementen spielt die Gefährdung durch Wasserdampfdiffusion keine Rolle, da aufgrund der geschlossenen metallischen Deckschichten Wand- bzw. Dachkonstruktionen in beiden Richtungen über eine absolut zuverlässige Dampfsperre verfügen.
Die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl kann für die metallischen Innen- und Außenschalen aufgrund der handelsüblichen Dicken jeweils mit µ = ¥ angesetzt werden. Aufgrund dieser Deckschichtdicken ist bei fachgerechter Montage auch eine Beschädigung und Beeinträchtigung dieser werkseitig integrierten Dampfsperren bei fachgerechtem Umgang auszuschließen. Da es aufgrund dieser Eigenschaften bei Sandwichelementen nicht zur Tauwasserbildung im Sandwichkern kommen kann, sind auch keine Diffusionsberechnungen und objektbezogenen Nachweise zum Feuchteschutz erforderlich.
Bei entsprechendem Mindestwärmeschutz, normaler Nutzung und ausreichender Lüftung bildet sich normalerweise auch auf den Oberflächen kein Tauwasser. Sollte es im Falle extremer klimatischer Konditionen zu einer Tauwasserbildung auf der Sandwichoberfläche kommen, kann aufgrund des Korrosionsschutzes der metallischen Deckschichten eine negative Beeinträchtigung ausgeschlossen werden (siehe hierzu auch Kapitel 5.5 – Werkstoffe – Abschnitt 5.5.1 - Korrosionsschutz metallischer Deckschichten in [54].
Die „normale“ Verbindungstechnik von Sandwichelementen lässt im begrenzten Maß eine Diffusion des Wasserdampfes im Bereich dieser Verbindung zu. Hierbei kann es jedoch aufgrund der Fugenausbildung und der Anordnung der Dichtung nicht zu einer Durchfeuchtung des Sandwichkerns kommen. Wird eine praktisch wasserdampfdichte Verbindung benötigt, wie beispielsweise im Kühl- und Tiefkühlhausbau, so lässt sich durch entsprechende Dichtungspunkte und geeignete Dichtungsmaterialien die Verbindung der Sandwichelemente auch praktisch wasserdampfdicht ausbilden. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich Wand- und Dachkonstruktionen in Sandwichbauweise zu den „bedenkenlosen Konstruktionen“ im Sinne der DIN 4108-3 [17] zählen.
1.5 Schutz vor Zugluft und kalten Fußböden
Neben der Begrenzung von Wärmeverlusten und dem Feuchteschutz spielt auch die Raumbehaglichkeit eine wichtige Rolle. So wird eine Luftbewegung im Fugenbereich als unangenehmer Zug empfunden. Wenn kalte Außenluft über Fugen durch die Gebäudehülle gelangt, „fällt“ sie nach unten und bildet über dem Fußboden eine kalte Luftzone aus. Da Füße sehr temperatursensibel sind, können sich neben physiologischer Unbehaglichkeit auch gesundheitliche Beeinträchtigungen einstellen (siehe Abb. 4.8.18).
1.6 Energieeffizienz von RLT-Anlagen - Lüftungs- und Klimaanlagen
Mit steigender Energieeffizienz wird kontrolliertes Lüften immer wichtiger. Mit RLT-Anlagen (Raumlufttechnische Anlagen) soll der hygienisch erforderliche Lüftungsbedarf gedeckt werden, ohne dass Luft über undefinierte Leckagen einströmt bzw. entweicht. Luft strömt nur dann, wenn ein Druckgefälle vorhanden ist.
Deshalb benötigt eine Lüftungsanlage immer eine geringe Druckdifferenz zwischen Außenluft und dem Gebäudeinneren, die nicht durch Leckagen gestört werden soll. Darum sind beim Einbau von RLT- und Lüftungsanlagen wie auch bei Klimaanlagen erhöhte Anforderungen an die Luftdichtheit zu stellen.
1.7 Schalldämmung von Bauteilen
Schall pflanzt sich wellenförmig über verdichtete Zonen der Luft fort. Indem Luft durch kleine Ritzen und schmale Spalten dringen kann, gelangt auch Schall durch die Bauteilkonstruktion und verschlechtert den Schallschutz. Darüber hinaus können Ritzen und schmale Spalten auch bei anströmender Luft selbst zu unangenehmen Schallquellen werden. Die Schall leitende Wirkung von kleinen Ritzen und Spalten wird häufig unterschätzt. Man kann jedoch selbst leicht überprüfen, wie sich bereits ein geringer Spalt auf die Schallübertragung auswirkt, indem man ein Fenster nur über eine sehr kleine Spaltbreite öffnet. Es kommt zu einer deutlich wahrnehmbaren Erhöhung des Außenlärms. Werden Fugen luftdicht geschlossen, so wird auch diese schalldämmtechnische Schwachstelle beseitigt.
1.8 Übersicht zu den Beanspruchungen von Fugenkonstruktionen
Bei der Planung ist jede einzelne Beanspruchung nach Tab. 4.8.4 zu prüfen und zu wichten.
Tab. 4.8.4 Beanspruchungen von Fugen durch Witterung, Chemikalien, Baustatik und sonstigen Einwirkungen - Quelle: IFBS [48]
Aus den Beanspruchungen resultieren Anforderungen an die Dichtsysteme und Dichtstoffe wie sie Tab. 4.8.5 aufzeigt.
Tab. 4.8.5 Anforderungsprofil an Dichtsysteme für Bauelement- und Bauwerksfugen - Quelle: IFBS [48]
1.9 Dichttechniken für die Sandwichbauweise
In der Sandwichbauweise kommen je nach Fugentyp und Fugenbelastung drei unterschiedliche Dichttechniken zum Einsatz:
o Komprimierbare Dichtbänder (Teil 2 in 4.9)
o Profilfüller (Teil 2 in 4.9)
o Spritzbare Dichtstoffe wie Acrylate, Silikone, Polyurethan-Ortschäume und bituminöse Emulsionen (Teil 3 in 4.10).
1.9.1 Zur Verbindung der Elemente bedingte Fugen
Aufgrund der werkseitig vorgefertigten Steckverbindungen mit ausgereifter Fugengeometrie ist der größte Teil der Elementverbindungen unproblematisch. Durch eine wärmedämmtechnisch sinnvolle luftdichte Fugengeometrie, meistens in Form einer so genannten Labyrinthausbildung, wird sowohl die Wärmewanderung als auch eine Wasserdampfdiffusion wirkungsvoll eingeschränkt. Durch zusätzliche werkseitig integrierte Dichtungen, meist in Form von komprimierbaren Dichtbändern, kann man die jeweiligen Dichtheitsanforderungen, die von luft- und schlagregendicht bis hin zu wasserdampfdicht ausgelegt werden können, erfüllen.
Abb. 4.8.19 zeigt unterschiedliche Längsverbindungen zeitgemäßer Sandwichelemente mit integrierter Dichtung. Je besser die Stoßkanten und Stoßflächen der Elementverbindung aufeinander passen, desto geringer die Luftdurchlässigkeit. Bei optimalen Stoßgeometrien kann man unter Umständen sogar auf Dichtbänder verzichten. Diese Fugengeometrien liegen normalerweise im Verantwortungsbereich der Sandwichhersteller, die fachgerechte Montage im Verantwortungsbereich des Montagebetriebs. Aus diesem Grund sollte der Planer das Preis-Leistungsverhältnis angebotener Sandwichelemente genau prüfen. Ein sehr billiges Produkt mag zwar die Materialkosten um ein paar Euro je m² reduzieren, kann aber sowohl über Zeitverzögerungen bei der Montage wie auch für den Betrieb des Gebäudes zu deutlich höheren Folgekosten führen.
Die Dichtbänder in dieser Labyrinth-Fuge werden beim Zusammenstecken der Elemente so komprimiert, dass bei entsprechenden Eigenschaften des Dichtbandes ausgezeichnete Dichtheit gegen Luft und Wasser sowie hoher Widerstand gegen Wasserdampf gegeben ist (siehe Teil 2, Basis-Info 4.9).
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bei fachgerechter Montage die Verbindung von Sandwichelementen die Anforderungen an Luftdichtheit problemlos erfüllen. Aufgabe des Planers ist es, die Forderung nach Luftdichtheit im Bereich aller Anschlusskonstruktionen durch sinnvolle Detailausbildungen zu gewährleisten (vgl. hierzu Kapitel 6 in [54]).
1.9.2 Konstruktiv bedingte Fugen durch Anschlüsse an andere Bauteile
Konstruktiv bedingte Fugen, die durch Anschlüsse an andere
Autor
Rolf Koschade
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